Техногенное воздействие на природные процессы Земли

В связи с тем что именно верхние оболочки Земли ответственны за целостность и функционирование биосферы, динамическую устойчивость жизненных форм и их разнообразие, то мы уделяем им основное свое внимание. Кроме того, информационные массивы этого направления, по существу, получены за последние два-три десятилетия и мало известны в системе учебных материалов. Конечно же, энергоемкие техногенные воздействия наряду с природными процессами прямо или косвенно влияют на все планетофизические и биосферные процессы Земли.

В составе Солнечной системы планета Земля — сильный магнит. Магнитные силовые линии выходят из Южного магнитного полюса и вливаются в область Северного полюса в 13° от географического полюса в сторону Канады. Магнитосфера Земли поджата с дневной стороны (со стороны Солнца) и вытянута с ночной стороны. При гелиоспокойных периодах геометрия магнитосферы стабильна, в годы гелиоактивности форма магнитосферы модифицируется в соответствии со скоростями солнечных потоков (см. рис. 1).

Рассмотрим более детально понятие геокосмос.

Геокосмос (термин начала 80-х гг. XX в.) представляет собой сложную динамическую систему, а именно газовые и плазменные оболочки Земли: атмосферу, ионосферу, магнитосферу. Самая ближняя — атмосфера, непосредственно окружает и накладывается на твердую земную кору. Следует подчеркнуть, что она служит источником вещества и энергии для возникновения и существования всех жизненных форм биосферы. Ионосфера — плазмооболочка Земли, наиболее изменчивая, физически сложная и энергоемкая среда, динамика процессов которой задается магнитными вариациями, электрическими полями и потоками высыпающихся из окружающего космического пространства заряженных частиц. Внешняя оболочка — магнитосфера — представляет собой наружную границу физических полей Земли, вернее, ее тонкого электромагнитного каркаса. Именно магнитосфера контролирует вторжение частиц солнечного ветра [14, 19, 29, 33, 50, 53, 149]. В пространстве заряженные частицы межпланетной среды и магнитосферы Земли образуют некоторый переходный механизм — пристеночный ветер, снос частиц к полярным областям Земли (за счет сопротивления "магнитоотбойного слоя" [93, 98]). Надо также отметить, что экзогенная энергия космических источников (в основном Солнце), которая поглощается газоплазменными оболочками Земли, почти на три порядка превышает эндогенную энергию от глубинно-планетных источников [66, 134].

1.1. Общие черты техногенных энергоемких процессов

Создание антропогенной системы энергоемких разнообразных процессов и их проникновение в околоземное и подземное пространство имеет короткую, но во многом драматическую историю. Рассмотрим часть этих процессов за вторую половину XX в., подразделив их по видам активных воздействий на два типа:

- глобальные энергоемкие воздействия, постоянно действующие или со значительными для геокосмоса и земной коры функциональ ными последствиями;

- энергоемкие воздействия локального и эпизодического характера.

Естественно, что это деление условно, но оно полезно в смысле рассмотрения общей схемы процессов становления техногенной цивилизации, именуемой "цивилизацией покорения космоса". Кроме того, изменение информационной осведомленности всего человечества позволяет обнародовать сведения либо тщательно умалчиваемые (например, геофизические отклики на высотные ядерные взрывы), либо известные узкому классу специалистов (например, влияние ракетных пусков на снижение общего содержания озона) [5, 75, 158].

Главной особенностью активных воздействий является то, что этот вид человеческих усилий выводит техносферу в геокосмос и ближний космос (Солнечную систему). Состав процессов и состояний геокосмоса с помощью этой активности резко модифицируется в сторону замены естественной системы искусственной. Причем биосферных прогнозов на эту замену ни теоретики, ни практики не делают. Тем не менее география применения энергоемких технических воздействий расширяется [21, 23, 25, 34, 132].

К энергоемким техногенным воздействиям мы относим:

- электровыработку и электропотребление как постоянно действующий фактор техногенной модификации электромагнитной системы Земли, выявленной свойствами и особенностями геофизических полей;

- ракетные пуски всех систем базирования, мощности и предназначения как основной фактор внесения помех в процессы естествен ных плазменных неоднородностей в ионосфере и физико-химической модификации ионосферы с термодинамическими и погодными следствиями;

- ядерные и химические ряды взрывов в верхнем и нижнем полупространстве Земли как источник огромных электромагнитных импульсов и возможный фактор модификации последовательности и интенсивности сейсмических процессов, глубинной геодинамики и локальных процессов энерго- и массопереносов, что еще требует серьезных и трудоемких доказательств и существует как острая экологическая проблема;

- вещественные перераспределения в верхней части земной коры и локальное изменение гравитационного поля за счет изъятия огромных масс (добыча полезных ископаемых) и весовой перегрузки на отдельных участках суши (супергорода и гидросооружения) [145, 147].

Следует также отметить, что первые три вида энергоемких технопроцессов воздействуют и на естественное состояние процессов в Солнечной системе, особенно в сфере порождения "электромагнитного смога" во всей гелиосфере [133, 155] Об этом свойстве наземного технического процесса все еще не принято говорить, хотя именно техногенная экспансия человечества в масштабе Солнечной системы, видимо, и послужила триггером в наращивании [66] энергоемких природных процессов (катастроф) на Земле.

1.2. Области энергоемких воздействий

Прорывающиеся в полярные области высокоэнергетичные частицы из состава солнечного ветра вызывают красочные полярные сияния (сполохи). Правда при очень сильных геомагнитных возмущениях, особенно во время геоэффективных вспышек на Солнце, полярные сияния возникают на средних и даже низких широтах [27, 58, 68, 70].

В целом земная магнитосфера — это обширная и загадочная область планетно-космического пространства. Ее можно представить открытой сложной и непрерывно развивающейся системой во взаимодействии неоднородных плазм, электромагнитных и магнитоакусти ческих волн достаточно широкого спектра высокоэнергетических частиц. Такая система (см. рис. 1) обеспечивает то радиационное и электромагнитное качество геокосмоса, которое составляет основу геофизической безопасности верхнего полупространства окружающей человека среды от космических источников воздействия.

Динамические характеристики этой системы все еще не установлены окончательно, а ее функциональная роль в отношении биосферы только начинает озадачивать и выявляться. На этом этапе отмечаются три уровня существования процессов взаимодействия ее составляющих [58, 60, 65, 69]:

- процессы, происходящие на внешней границе (магнитопаузе), энергия и вещество для которых попадают из ближнего космоса (преимущественно от Солнца); транспортируемая с солнечным ветром горячая замагниченная плазма (магнитные облака — в терминах Г.К. Иванова [50]) образует верхний уровень взаимодействия космосреды с геокосмосом;

- временное накопление космического вещества и энергии и результатов их взаимодействия с внешней границей магнитосферы и ее более глубоких (внутренних) частей приводит к образованию среднего уровня взаимодействия;

- на нижней границе магнитосферы в по мере увеличения плотности вещества (область верхней атмосферы) идет энергоинфор мационное и вещественное потребление космогенных материалов. Это потребление сложно и многофункционально. Его результаты так или иначе сказываются на биосфере и климатической машине Земли, на ее недрах и электромагнитном каркасе.

1.3. Газоплазменные оболочки Земли как основной объект космотехнических воздействий

Магнитосфера представляет собой насыщаемую светом область планеты, своеобразную машину, а вернее — орган (если стоять на позициях организменной модели Земли), преобразующий космовоздействия, в основном солнечного ветра, в электромагнитную энергию. На неоднородность космовоздействий магнитосфера реагирует возмущениями, которые уместно подразделить на следующие категории [53, 58, 60, 90, 98, 123]:

- возмущения внешней магнитосферы — реакция на изменение параметров солнечного ветра, локализуется только во внешней магнитосфере, не исключая и спокойные периоды; расход энергии не более 10¹⁷ эрг/с;

- магнитосферные суббури взрывного характера, локализующиеся в авроральных зонах; возникают из-за превышения накопления энергии над ее применением, потерями; расход энергии не превышает 10¹⁹ эрг/с;

- мировая буря — результат накачки энергии во внутреннюю магнитосферу, формирующей дополнительные токи и заполняющей частицами радиационные пояса. Как правило, эти события наступают после сближенной по времени последовательности суббурь; суммарная кинетическая энергия частиц, захваченных в пояс кольцевых токов, может составлять 10²³ эрг.

Мировые бури имеют глобальное геофизическое значение. Во время их течения производится общий опрос электромагнитного состояния планеты, включая и ее глубинные сферы. Накопленная энергия за счет глубинных процессов электрогенерации в литосфере в определенных тектонических зонах и при сильных геомагнитных бурях может присоединяться к общему электромагнитному возмущению, что выявляется локализацией сияний в верхней атмосфере [13, 14, 57, 74]. Ярким примером такого феномена стало октябрьское сильнейшее геомагнитное возмущение в 1981 г., когда широко развитые сияния по Северному полушарию (вплоть до низких широт) максимизировались над Бащелакско-Теректинским сбросоcдвигом Горного Алтая [27, 31]. Наличие таких вертикальных энергоперетоков и их гибридизация [11] и является предметом новых направлений геофизики по сейсмомаг нитным и литоионосферным взаимодействиям [57, 74, 88, 104]. Это особенно важно в связи с участившимися фактами случайных наблюдений светящихся образований в приземной атмосфере и геокосмосе [3, 30, 36, 88, 99, 125, 157, 160]. Примерами простейших вертикальных энергоперетоков могут служить неоднократные приборные регистрации электромагнитных импульсов, в частотах от десятков килогерц до сотен мегагерц — с максимумом 80-120 кГц [12]. Такие же частоты отмечаются спутниковыми данными и на высотах ионосферы в сейсмонагруженных районах за счет перестройки электронной плотности по данным ИЗМИРАН.

Целесообразно коснуться особенностей геокосмоса в его нижней части, прилегающей непосредственно к биосфере (рис. 2). По мере увеличения вещественной плотности вступают в силу процессы фильтрации коротковолнового излучения Солнца. Эта роль околоземного космического пространства по созданию ультрафиолетовой безопасности для живущих наземных форм является сильным фактором эволюционного процесса.

Все излучения короче 300 нм поглощаются верхней атмосферой, причем это поглощение сопровождается производством озоносферы с тонким динамическим равновесием и высокой чувствительностью к энергетическому и вещественному качеству среды. Волны длиной менее 90 нм — наиболее коротковолновая часть спектра — поглощаются молекулярным азотом. Геокосмический зонт, возникший в палеозое над нашей планетой, стал решающим фактором жизнепроявления на суше. Он представляет собой особую динамическую часть внешней среды, окружающей нижние оболочки планеты. Эту неприкосновенную часть среды в конце XX в. технический прогресс нацелил в сторону "практического применения". Сначала это было использование способности свободных электронов к установлению дальней радиосвязи, а потом нашлась "работа" и для нейтральных газов, особенно в сфере функционирования космических аппаратов и систем [4, 15, 20, 48, 52, 59, 111-113].

При этом прагматизме не учитывается то, что тонкая электромагнитная и физико-химическая организованность геокосмоса базируется на небольших затратах вещества и энергии на единицу объема. Процессы в нем происходят, видимо, с большой информоемкостью, но малой энерго- и массоемкостью (как и положено для естественных управляющих систем). Процессы в приземной атмосфере (и в стратосфере) более энерго- и массоемкие, чем в верхней ионосфере и магнитосфере. Поэтому только один старт тяжелой ракеты (челночного типа) доставляет в верхнюю часть атмосферы дополнительно продуктов сгорания до 1% от ее общего веса на этой высоте.

Локальные техногенные воздействия в большей части своего видового разнообразия определяются специально разработанными методами по изучению геокосмоса. Выявлено, что исследовательская эффективность преднамеренных процессов активного воздействия на околоземное пространство намного выше пассивных наблюдательных методов традиционной науки. Усматриваются следующие преимущества по сравнению с пассивными наблюдениями, активных методов наблюдений и регистраций [83, 93, 108, 109, 158]:

- известность причин эффектов и фактов, возникающих в геокосмосе;

- количественные оценки источников возмущения естественной среды;

- преднамеренность выбора режимов экспериментов (высот, объектов, характера, энергии и др.);

- выбор планетных (геомагнитных и геоэлектрических) обстановок и гелиофизических показателей;

- оптимизация условий регистрации результатов эксперимента;

- неизбежность появления реакции среды на ее повреждающее воздействие, т.е. возникновение вынужденных процессов релаксации.

Во многих случаях именно последний пункт и был притягательным для ряда исследователей. Он имеет не столько научное, сколько психологическое значение, поскольку ответственность за состояние естественных процессов и систем исследователи не только не несли, но и не задумывались о ней.

Арсенал искусственных локальных и глобальных воздействий на геокосмос достаточно обширен. Приведем эколого-ориентированные справки для наиболее распространенных воздействий [4, 9, 15, 20, 24, 32, 42, 51, 62, 71, 77, 83, 107, 112, 133]:

- применение химических взрывчатых веществ;

- инжекция плазмообразующих и плазмогасящих веществ в надземное пространство;

- электрические источники плазмы и производство пучков заряженных частиц;

- источники ультрафиолетового излучения и электронных пучков.

Тенденции последних трех-четырех десятилетий свидетельствуют о том, что активные воздействия с небольшими количественными флуктуациями будут продолжаться и будет наращиваться их география. Время показало, что вплоть до конца второго тысячелетия шло возрастание научного и прикладного значения этих воздействий. Характерно и то, что активные воздействия на тонкие оболочки Земли рассматриваются как положительный фактор. Исследование этой проблемы в целом носит ярко выраженный экологический характер, учитывая огромную важность решения многочисленных вопросов по охране окружающей среды. Далее перейдем к краткой характеристике наиболее распространенных технических видов воздействия на газоплазменные оболочки Земли.

1.3.1. Взрывы и выбросы химических веществ

Наиболее ранний и распространенный вид воздействия на верхнюю атмосферу — это взрывы и инжекция веществ. Взрывы химических веществ начались в 60-е гг. тротиловыми зарядами (весом от 3 до 80 кг). Так, на высотах от 80 до 180 км в общей сложности только за 60-е годы XX в. было взорвано около 800 кг взрывчатки. Причем только по одному тротилу отмечается такой перечень продуктов взрыва: СО₂, СО, С, Н₂О, Н₂, O₂, N₂. В дальнейшем по мере расширения задач взрывов появились взрывчатые смеси. Например, в экспериментах Lagopedo UNO [59, 105] использовалась смесь из нитрометана и аммониевой селитры, дающей быструю экзотермическую реакцию:

Дальнейшее разнообразие высотных взрывов дополнилось специальными примесями определенных элементов, особенно щелочных Cs, Li, Ba (с более низкими потенциалами ионизации). Уже в марте 1960 г. (полигон Покер-Флет) была проведена радикальная инжекция бария на высоте около 570 км перпендикулярно магнитному полю. Эксперимент предназначался для изучения тройного взаимодействия между геомагнитным полем, ионным пучком бария (разреженный бесстолкновительный случай) и плазмой на этой высоте.

В поисках искусственного порождения плазменных образований (в том числе и управляемых) выявлены высокие плазмогенерационные способности щелочных и щелочно-земельных элементов: бария, натрия, цезия и стронция. Конечно, распыление этих элементов и их перевод в парообразное состояние — задача сложная, поэтому практическое получение, например, цезиевых облаков сопровождается использованием смеси типа Mg + NaNO₃ + CsNO₃. Для получения бариевых облаков оказались эффективными смеси Ba + Ba(NO₃)₂ и Ba + CuO. Следует отметить, что начиная с середины 50-х гг. и до настоящего времени произведено более 180 экспериментов по образованию искусственной плазмы в геокосмической среде [70, 75, 78, 91, 101, 104, 106].

В ряде прикладных задач стояла проблема снизить концентрацию электронов в природной плазме. Для связывания электронов оказались эффективными галогены, водородосодержащие вещества. Использовались также (распылением через сопло) вода, четыреххлористый углерод, трехбромистый бор, фторопласты. Всего активно применялось 14 видов сильных плазмогасителей с электронофиль ными свойствами. Проведено около 20 экспериментов с плазмогасящими веществами.

1.3.2. Электрогенерация плазмы, ультрафиолет и электронные пушки

Наряду с вещественной стимуляцией возникновения плазмы в геокосмосе были созданы и электрогенерационные механизмы [59, 68, 71, 93, 96, 106, 112]:

- электротермические ускорители — выброс электроразогретой струи рабочего тела со скоростями потоков 10-20 км/с с плотностью частиц в струе 10¹⁰-10¹³ см с энергией 0.5-2 эВ; освоенные мощности составляют для рабочих тел Ar, H₂, He, N₂ от единиц до сотен киловатт.

- электростатические ускорители — частицы рабочего тела ускоряются в виде облака заряженных частиц электростатическим полем.

- плазменные электромагнитные ускорители переводят рабочее тело в плазменное состояние с последующим ускорением с помощью электрических и магнитных полей. Разработано пять видов ускорителей. Так, торцевые сильноточные ускорители дают плотность в потоке 10¹²-10¹⁴ см^-3 со скоростью потока 70 км/с, с энергией частиц в десятки и сотни электрон-вольт. Диапазон мощностей захватывает интервал от 0.5-1000 кВт с обширным разнообразием рабочих тел: H₂, He, Li, K, Rb, Cs, Ar, Ba, Al , Mo, Na, Sr, Zn и т.д. Эти ускорители разнообразной конструкции применяются для получения сгустков плазмы с последующим ее ускорением газодинамическими и электромагнитными силами. Так, импульсный плазменный ускоритель обеспечивает увеличение скорости плазмы с плотностью 10¹⁶-10¹⁹ см^-3 до 10-100 км/с, с энергией на частицу 10-500 эВ за время 1-100 мкс.

Время разряда в импульсном плазменном ускорителе составляет 10^-6-10^-3 с, разрядные токи достигают 10⁵-10⁶ А, а пиковые мощности — 10⁷-10⁹ Вт. Число инжектируемых частиц в эксперименте "Ариэль" (1977-1984 гг.) с 11 пусками колебалось в пределах 4,0·(10¹⁷-10¹⁹), что обошлось геокосмосу серией мощных планетофизически неестественных искусственных энергоемких процессов.

Наиболее распространенный способ подобного воздействия на геокосмос — использование магнитоплазменного компрессора, как наиболее эффективного средства искусственной плазмогенерации, работающего с помощью собственного азимутального магнитного поля. Взрывной плазменный генератор путем кумуляции преобразует энергию взрыва в энергию высокоскоростной плазменной струи, которая тормозится средой со значительным выделением энергии во внешнюю же (геокосмическую) среду.

Энергобаланс разряда магнитоплазменного компрессора состоит из кинетической энергии плазменного потока (60-70% от общей энергии разряда); зафокусного разлетания струи (5-10%); сжатия плазменного потока под действием инерционных и электромагнитных сил (пинч-эффект в выносных точках 20-25%). Непосредственные измерения температуры производятся лишь в видимой и мягкой ультрафиолетовой областях, а большая часть энергии приходится на область жесткого ультрафиолета (вакуумного).

Взрывной плазменный генератор в реальных экспериментах используется и как генератор высокоскоростной плазменной струи, и как эффективный источник излучения в широком спектральном диапазоне [4, 9, 59, 78, 83, 108, 109, 117, 133].

Эффективные, искусственные, локальные модификации состояния ионосферы и магнитосферы Земли осуществляются инжекцией электронных пучков — электронными пушками [52, 79]. Создано около десятка основных видов этих изделий (диодные и триодные). Первая инжекция электронного пучка с ракеты произведена в 1969 г., а к середине 90-х гг. число инжекций "пушечных" электронов достигло 40 и на широком диапазоне высот (80-400 км). Причем инжекция осуществлялась при различных геомагнитных условиях и на разных широтах под разными углами к магнитным силовым линиям. Разброс пучков электронов по энергиям составил от 0,1 до 45 кэВ.

Касаясь общих экологических результатов от локальных воздействий, следует отметить разобщенность экологических оценок и недостаточную достоверность. Однако эти факты лишь подчеркивают остроту проблемы. Построение пространственных и физико-химических моделей неоднократно поддержаны экспериментально. Например, выброс водородного облака на высоту 200 км и весом в 30 кг. Через несколько минут выброшенный водород распространился по всей верхней атмосфере, вплоть до экзосферы. Следует учесть, что это количество водорода гораздо меньше количеств, выбрасываемых запуском ракет (старт "Энергии" использует 750 т (!) воды и водорода), что неизбежно приводит естественное содержание водорода к значительному искусственному обогащению [42, 59, 62, 114, 119].

1.4. Внутренние оболочки Земли

Касаясь воздействия техногенных энергоемких процессов на нижние оболочки Земли, следует уделить внимание неизбежному реагированию литосферных глубин на импульсные (взрывы) и статические (например, вес супергородов и искусственных водохранилищ) воздействия. Естественные процессы, протекающие в земной коре, весьма разнообразны и подвержены сложной периодизации. Согласно поиску экономических откликов геолого-геофизической среды на техногенное воздействие, отметим особое значение сейсмических процессов, протекающих в земной коре. Именно сейсмический режим Земли становится наиболее чувствительным элементом при техногенном вмешательстве. Если учесть, что землетрясения — это один из основных отрицательных факторов проявления естественных энергоемких процессов в геолого-геофизической среде, особенно в период скоростно го изменения климата, то изучение техногенного влияния на сейсмопроцессы является приоритетным [11, 35, 45, 64, 76, 79, 87, 142].

Целесообразно рассмотреть некоторые примеры техногенного вмешательства как локального, так и глобального характера. Кроме того, большое влияние импульсные воздействия оказывают на локальный тектонический режим в зонах вертикального энергоперетока [2, 3, 24, 83, 110, 111, 156]. Они могут вызывать процессы тектонического дрожания, термодинамические эффекты, видоизменяя поверхностные тепловые и вещественные потоки [7, 11, 21, 26, 80, 100]. Вполне вероятно, что энергоемкие техногенные воздействия могут влиять на интенсивность и амплитуды вертикальных подвижек участков земной коры. В случае развития технических линейных электропередач (линии высоковольтных передач, электрофицированных железных дорог) в тектонофизически напряженных зонах могут возникать дополнительные подземные токи, на порядки превосходящие естественные (особенно на территориях мегаполисов [11, 29, 56, 62, 113]).

Значительное воздействие оказывают ядерные взрывы (особенно подземные, Е ≥ 50 кт) на мантийные глубины Земли. При особенно большой мощности подземных ядерных взрывов (более 1 Мт) сгенерированная взрывом сейсмическая волна достигает земного ядра, и такой эффект уже представляет собой результат глобального воздействия на нашу планету. Следует подчеркнуть, что широко известная радиационная опасность ядерных взрывов не является в ряде случаев основной, а о глобальном воздействии энергоемких ядерных взрывов на глубины Земли и ее физические поля информация все еще отсутствует в широкой печати.

Следует также отметить невнимание исследователей-экологов к районам локальных войн: бомбовые удары в зоне Персидского залива, на Балканах, Северном Кавказе, в Афганистане. Применение урана в боевых зарядах на Балканах, как известно, привело к появлению очагов с повышенной радиоактивностью. Особо экологически значимые бомбовые удары по карстовым районам Афганистана с углублением зарядов до 100 м нарушают естественный сейсмический режим в этом тектонофизически напряженном регионе. Серии прошедших высокомагнитудных землетрясений в районе боев и прилегающих площадях вполне могут быть результатом импульсной накачки упругой энергии от бомбовых ударов. Подчеркнем, что сейсмически активная зона Гиндукуша характеризуется высокой встречаемостью сильных землетрясений с глубоким размещением очагов до 700 км, т.е. эта зона обладает особой характеристикой сейсмических проявлений. Вопросы модификации сейсмического режима Земли крайне важны, поскольку землетрясения по масштабу разрушений занимают в списке катастроф третье место. За 1965-1999 гг. произошло 831 землетрясение, что составило 13% от общего числа значимых катастроф [63, 132].

Опубликовано в книге Дмитриев А.Н., Шитов А.В.,
Техногенное воздействие на природные процессы Земли. Проблемы глобальной экологии. —
Новосибирск: Издательский дом "Манускрипт", 2003. — 140 с.